CZ308811B6 - Equipment for using waste heat on the ORC compressor principle - Google Patents
Equipment for using waste heat on the ORC compressor principle Download PDFInfo
- Publication number
- CZ308811B6 CZ308811B6 CZ2020179A CZ2020179A CZ308811B6 CZ 308811 B6 CZ308811 B6 CZ 308811B6 CZ 2020179 A CZ2020179 A CZ 2020179A CZ 2020179 A CZ2020179 A CZ 2020179A CZ 308811 B6 CZ308811 B6 CZ 308811B6
- Authority
- CZ
- Czechia
- Prior art keywords
- air
- compressor
- circuit
- waste heat
- primary
- Prior art date
Links
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
- F01K23/00—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids
- F01K23/02—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled
- F01K23/06—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled combustion heat from one cycle heating the fluid in another cycle
- F01K23/10—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled combustion heat from one cycle heating the fluid in another cycle with exhaust fluid of one cycle heating the fluid in another cycle
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
- F01K25/00—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for
- F01K25/08—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using special vapours
Abstract
Description
V současné době je využití stlačeného vzduchu a jeho použití v průmyslových aplikacích a provozech značně rozšířené a setkáváme se s ním prakticky na každém kroku. Technologie stlačování vzduchuje dobře známá a jednotlivé principy jsou kvalitně popsány. Problém nastává v okamžiku dalšího zvyšování účinnosti komprese a případné využití odpadního tepla z komprese samotné. Pro využití odpadního tepla různých systémů se používá organický Rankin-Clausiův cyklus (ORC).At present, the use of compressed air and its use in industrial applications and operations is widespread and we encounter it at virtually every step. Air compression technology is well known and the individual principles are well described. The problem arises at the moment of further increase of the compression efficiency and possible use of waste heat from the compression itself. The Organic Rankine-Clausian Cycle (ORC) is used to utilize the waste heat of various systems.
Pro příklad provedených aplikací, které pracují s využitím ORC cyklu za účelem produkce elektrické energie, lze uvézt korejskou patentovou přihlášku KR 20160126167 A, která popisuje systém s využitím ORC pro generování energie. Systém je určen pro přímý provoz kompresoru chladicího a klimatizačního systému využívajícího odpadní teplo venkovní jednotky z chladicího a klimatizačního systému a sluneční energie a konkrétněji se týká organického Rankinova cyklu.Korean patent application KR 20160126167 A, which describes an ORC system for generating energy, can be cited as an example of an application that uses the ORC cycle to produce electricity. The system is designed for direct operation of the compressor of the refrigeration and air conditioning system using the waste heat of the outdoor unit from the refrigeration and air conditioning system and solar energy, and more specifically relates to the organic Rankine cycle.
Evropský patent EP 2634383 B1 popisuje způsob a zařízení pro skladování energie. Způsob skladování energie zahrnuje krok ukládání energie, ve kterém je nasáván vzduch na vstupu jednoho nebo více kompresorů, jeho tlak je zvýšen na hodnotu vyšší než okolní tlak, vzduch je zkapalněn izoentalpickou expanzí a je přiváděn do tepelně izolované akumulační nádrže. Tam se páry studeného vzduchu, vytvořené během procesu zkapalňování vzduchu, přivádějí zpátky ke vstupu kompresoru přes alespoň jeden protiproudý výměník tepla, který umožňuje výměnu tepla stlačeného vzduchu se studenou párou za alespoň jedním stupněm kompresoru, přičemž stlačený vzduch je rozdělen na dva dílčí proudy. Druhý proud je veden skrz expanzní turbínu, kde se získaná energie přivádí do kompresoru. Způsob dále zahrnuje krok odebírání energie, ve kterém je kapalný vzduch odebrán ze zásobní nádrže a znovu zplyňován, přičemž tlak vzduchu se zvyšuje pomocí čerpadla a/nebo pomocí tepelného stlačení, a poté se zvyšuje teplota vzduchu alespoň na teplotu okolí. Stlačený vzduch vyráběný tímto způsobem, který pohání hlavní turbínu, se dodatečně používá ke kondenzování chladicího média, přičemž energie vyrobená v procesu ORC cyklu je spojena s energií vyrobenou v hlavní turbíně.European patent EP 2634383 B1 describes a method and apparatus for storing energy. The energy storage method comprises an energy storage step in which air is sucked in at the inlet of one or more compressors, its pressure is increased to a value higher than ambient pressure, the air is liquefied by isoenthalpic expansion and is fed to a thermally insulated storage tank. There, the cold air vapor generated during the air liquefaction process is fed back to the compressor inlet via at least one countercurrent heat exchanger, which allows the heat of the compressed air to be exchanged with the cold steam behind the at least one compressor stage, the compressed air being divided into two substreams. The second stream is passed through an expansion turbine, where the obtained energy is fed to the compressor. The method further comprises an energy removal step in which the liquid air is removed from the storage tank and regenerated, the air pressure being increased by means of a pump and / or by thermal compression, and then the air temperature is increased to at least ambient temperature. The compressed air produced in this way, which drives the main turbine, is additionally used to condense the coolant, the energy produced in the ORC cycle process being combined with the energy produced in the main turbine.
Z mezinárodní patentové přihlášky WO 2019211775 AI je známé zařízení pro využití odpadního tepla a výrobu mechanické a/nebo elektrické energie, na principu organického Rankin-Clausiova cyklu. Toto zařízení zahrnuje primární zdroj odpadního tepla ve formě primárního spalovacího motoru. Dle obr. 1 a 4A tohoto řešení je primární zdroj odpadního tepla napojen na okruh transportního média pomocí výměníku tepla, na který je dále připojen přes výměník tepla chladicí okruh s chladivém. Chladicí okruh je dále připojen do expandéru uspořádaného na společné hřídeli s generátorem a z expandéru dále do kondenzátoru, který je napojen přes čerpadlo zpět na výměník tepla. Samotný okruh transportního média je vytvořen jako uzavřený okruh pro výrobu mechanické a/nebo elektrické energie a dále je z výměníku připojen na sekundární expandér uspořádaný na společné hřídeli s trojicí sekundárních kompresorů a sekundárním generátorem, a z expandéru dále přes rekuperační výměník do soustavy prvního, druhého a třetího chladicího zařízení a prvního, druhého a třetího sekundárního kompresoru, a přes rekuperační výměník, výměník tepla a sekundární expandér zpět na výměník tepla. Sekundární kompresor rovněž zahrnuje vstup plynu nebo vzdušiny a výstup stlačeného plynu nebo vzdušiny, ačkoliv se jedná o uzavřený okruh. Primárním zdrojem odpadního tepla je soustava primárního kompresoru, spalovací komory aInternational patent application WO 2019211775 A1 discloses a device for the utilization of waste heat and the production of mechanical and / or electrical energy, based on the principle of the organic Rankin-Clausian cycle. This device includes a primary source of waste heat in the form of a primary internal combustion engine. According to Figs. 1 and 4A of this solution, the primary source of waste heat is connected to the transport medium circuit by means of a heat exchanger, to which a cooling circuit with a refrigerant is further connected via a heat exchanger. The cooling circuit is further connected to an expander arranged on a common shaft with the generator and from the expander further to a condenser, which is connected via a pump back to the heat exchanger. The transport medium circuit itself is designed as a closed circuit for the production of mechanical and / or electrical energy and is further connected from the exchanger to a secondary expander arranged on a common shaft with three secondary compressors and a secondary generator, and from the expander via a recuperation exchanger to a third refrigeration device and a first, second and third secondary compressor, and via a recuperation exchanger, a heat exchanger and a secondary expander back to the heat exchanger. The secondary compressor also includes a gas or air inlet and a compressed gas or air inlet, although it is a closed circuit. The primary source of waste heat is the system of the primary compressor, combustion chamber and
-1 CZ 308811 B6 primárního expandéru, a zahrnuje vstup plynu nebo vzdušiny. Okruhem transportního média je plynné médium (argon, vzduch, dusík, oxid uhličitý a jejich kombinace) cirkulující v uzavřeném okruhu. Výstup z primárního kompresoru je napojen na spalovací komoru, primární expandér, výfukový kanál pro spaliny, který je dále připojen na výměník tepla, následně přes výměník tepla na chladicí okruh s chladivém, a pak k výstupu spalin.-1 CZ 308811 B6 primary expander, and includes a gas or air inlet. The circuit of the transport medium is a gaseous medium (argon, air, nitrogen, carbon dioxide and their combinations) circulating in a closed circuit. The output of the primary compressor is connected to the combustion chamber, the primary expander, the exhaust duct for the flue gas, which is further connected to the heat exchanger, then via the heat exchanger to the refrigerant cooling circuit, and then to the flue gas outlet.
Technický problém, který tento dokument řeší, je poskytnutí zařízení pro výrobu mechanické a/nebo elektrické energie s rekuperací odpadového tepla ze spalovacího motoru, zejména z plynové turbíny, za účelem zvýšení účinnosti konverze a zvýšení výtěžku při parciální zátěži, obecně tedy za účelem zvýšení účinnosti pohonné jednotky za pomoci dodatečné točivé síly.The technical problem addressed by this document is the provision of mechanical and / or electrical energy recovery equipment with waste heat recovery from an internal combustion engine, in particular a gas turbine, in order to increase conversion efficiency and increase partial load yield, generally to increase efficiency. drive units with the help of additional torque.
Z americké patentové přihlášky US 2017058760 AI je známé zařízení pro využití odpadního tepla a výrobu stlačeného plynu, zejména vzduchu nebo vzdušiny, na principu modifikovaného Camotova parního cyklu. Dle obr. 1 tohoto řešení zařízení zahrnuje primární zdroj odpadního tepla, který je napojen přes výměník tepla přímo na chladicí okruh s chladivém. Chladicí okruh je dále připojen do expandéru (parní turbíny) uspořádaného na společné hřídeli se sekundárním kompresorem, a z expandéru dále do kondenzátoru (tepelný výměník), který je napojen přes čerpadlo (parní kompresor) zpět na výměník tepla. Sekundární kompresor zahrnuje vstup plynu nebo vzdušiny a výstup stlačeného plynu nebo vzdušiny. Primárním zdrojem odpadního teplaje spalovací motor zahrnující vstup plynu nebo vzdušiny, přičemž spaliny motoru jsou vedeny do prvního expandéru (výfuková turbína) uspořádaného na společné hřídeli s primárním kompresorem. Spalinový okruh je dále přes výměník tepla napojen na chladicí okruh s chladivém, a pak ven do atmosféry. Primární kompresor zahrnuje výstup stlačeného plynu nebo vzdušiny. Výstup stlačeného plynu nebo vzdušiny ze sekundárního kompresoru je napojen na výstup stlačeného plynu nebo vzdušiny z primárního kompresoru, a spolu jsou vedeny zpět do spalovacího motoru jako přívod stlačeného vzduchu.U.S. Pat. No. 2017058760 A1 discloses an apparatus for utilizing waste heat and producing compressed gas, in particular air or air, on the principle of a modified Camot steam cycle. According to Fig. 1, this solution comprises a primary waste heat source which is connected via a heat exchanger directly to a refrigerant cooling circuit. The cooling circuit is further connected to an expander (steam turbine) arranged on a common shaft with the secondary compressor, and from the expander further to a condenser (heat exchanger) which is connected via a pump (steam compressor) back to the heat exchanger. The secondary compressor includes a gas or air inlet and a compressed gas or air outlet. The primary source of waste heat is an internal combustion engine comprising a gas or air inlet, the engine flue gases being led to a first expander (exhaust turbine) arranged on a common shaft with the primary compressor. The flue gas circuit is further connected to the refrigerant circuit via a heat exchanger, and then out to the atmosphere. The primary compressor includes a compressed gas or air outlet. The compressed gas or air outlet from the secondary compressor is connected to the compressed gas or air outlet from the primary compressor, and together they are fed back to the internal combustion engine as a compressed air supply.
Technický problém, který tento dokument řeší, je poskytnutí systému s rekuperací tepelné energie, který zachytí část odpadního tepla ze spalovacího motoru za účelem zvýšení jeho celkové účinnosti a který vyrábí stlačený vzduch pro dodatečné přeplňování a dodávku do interního cyklu spalování spalovacího motoru.The technical problem addressed by this document is the provision of a thermal energy recovery system which captures part of the waste heat from the internal combustion engine in order to increase its overall efficiency and which produces compressed air for additional supercharging and supply to the internal combustion engine internal combustion cycle.
Ze stavu techniky vyplývá, že všechny moderní i staré kompresory, které jsou v současné době celosvětově využívány v nej různějších aplikacích, se svou koncepcí, materiálem a konstrukcí blíží limitní hranici pro další případné zvyšování jejich celkové účinnosti. Tato omezení jsou daná především fýzikálními zákony. Dále lze také konstatovat, že ve stavu techniky doposud nebyla řešena možnost zapojení dalšího sekundárního kompresoru do organického Rankinova cyklu využívajícího odpadní nebo nízkopotenciální zdroj tepla, například odpadního tepla z primárního kompresoru, u kterého již lze jen obtížně zvýšit účinnost.The state of the art shows that all modern and old compressors, which are currently used worldwide in a variety of applications, with their concept, material and construction are approaching the limit for further possible increase in their overall efficiency. These restrictions are mainly due to physical laws. Furthermore, the state of the art has not yet addressed the possibility of connecting another secondary compressor to an organic Rankine cycle using a waste or low-potential heat source, such as waste heat from a primary compressor, for which it is difficult to increase efficiency.
Podstata vynálezuThe essence of the invention
Cílem předkládaného vynálezu je využít odpadní teplo z výroby stlačeného vzduchu nebo vzdušiny nebo i z jiných zdrojů tepla, které může pocházet z různých provozů, průmyslové výroby, obnovitelných zdrojů energie, nebo obecně z odpadního tepla, které by nemělo dalšího využití. Odpadní teplo je využito pomocí organického Rankin-Clausiova cyklu (ORC cyklu) za účelem zvýšení produkce stlačeného vzduchu nebo využití odpadního tepla, a tím i účinnosti těchto zařízení za pomoci zapojení dalšího - sekundárního - kompresoru do ORC cyklu využívajícího odpadní nebo nízkopotenciální zdroj tepla, například odpadního tepla kompresoru. Takový sekundární kompresor dokáže díky svému zapojení z tepla, jinak nevyužitelného, vyprodukovat další stlačenou vzdušinu, kterou lze např. přidat ke stlačené vzdušině produkované primárním kompresorem, čímž se zvýší celková účinnost a navýší se celková primární produkce vzdušiny, přičemž se využijí různá chladivá, nebo směsi chladiv, či dalších teplonosných médií.The object of the present invention is to recover waste heat from the production of compressed air or air or also from other heat sources, which may come from various plants, industrial production, renewable energy sources, or in general from waste heat which would have no further use. Waste heat is used using an organic Rankine-Clausian cycle (ORC cycle) to increase compressed air production or waste heat utilization, and thus the efficiency of these facilities by connecting another - secondary - compressor to the ORC cycle using a waste or low potential heat source, e.g. waste heat compressor. Such a secondary compressor can produce additional compressed air due to its heat from otherwise unusable heat, which can, for example, be added to the compressed air produced by the primary compressor, increasing overall efficiency and overall primary air production using various refrigerants, or mixtures of refrigerants or other heat transfer media.
- 2 CZ 308811 B6- 2 CZ 308811 B6
Výše uvedeného cíle je dosaženo pomocí zařízení pro využití odpadního tepla a výrobu stlačeného plynu, zejména vzduchu nebo vzdušiny, na principu organického Rankin-Clausiova cyklu, přičemž toto zařízení zahrnuje primární zdroj odpadního tepla. V tomto zařízení je primární zdroj odpadního tepla napojen na okruh transportního média, na který je dále připojen přes výměník tepla chladicí okruh s chladivém. Ve výměníku tepla dochází pouze k přenosu tepla mezi okruhem transportního média a chladicím okruhem, nikoliv k míšení jednotlivých médií. Chladicí okruh je dále připojen do expandéru uspořádaného na společné hřídeli nebo přes převod se sekundárním kompresorem a z expandéru dále do kondenzátoru, který je napojen přes čerpadlo zpět na výměník tepla s transportním médiem, obvykle s olejovým okruhem. Sekundární kompresor přitom zahrnuje samostatný druhý vstup plynu nebo vzdušiny (před stlačením) a druhý výstup stlačeného plynu nebo vzdušiny, a jak je uvedeno výše, je poháněn expandérem se společnou hřídelí.The above object is achieved by means of a device for the utilization of waste heat and the production of compressed gas, in particular air or air, on the principle of the organic Rankin-Clausian cycle, this device comprising a primary source of waste heat. In this plant, the primary source of waste heat is connected to the transport medium circuit, to which a cooling circuit with a refrigerant is further connected via a heat exchanger. In the heat exchanger, only the heat is transferred between the transport medium circuit and the cooling circuit, not the individual media are mixed. The cooling circuit is further connected to an expander arranged on a common shaft or via a transmission with a secondary compressor and from the expander further to a condenser which is connected via a pump back to a heat exchanger with a transport medium, usually an oil circuit. The secondary compressor comprises a separate second gas or air inlet (before compression) and a second compressed gas or air outlet and, as mentioned above, is driven by a common shaft expander.
V tomto zařízení je primárním zdrojem odpadního tepla primární kompresor zahrnující první vstup plynu nebo vzdušiny (před stlačením), zatímco okruhem transportního média je obvykle olejový okruh. Výstup vzdušiny z primárního kompresoru je v tomto provedení společný s olejovým okruhem, který je dále připojen na olejový separátor, následně přes výměník tepla na chladicí okruh s chladivém, a pak zpět do primárního kompresoru, přičemž olejový separátor zahrnuje samostatný první výstup stlačeného plynu nebo vzdušiny z primárního kompresoru. Z primárního kompresoru tedy do olejového separátoru proudí směs stlačeného plynu nebo vzdušiny a olejového média v podobě kapiček nebo mlhy, načež se v olejovém separátoru tyto fáze oddělí na první výstup stlačeného plynu nebo vzdušiny a horký olej proudící dále do výměníku tepla s chladicím okruhem, kde nastává přenos tepla z oleje na chladivo. Chladicí okruh jev tomto provedení totožný s chladicím okruhem popsaným výše.In this plant, the primary source of waste heat is a primary compressor comprising a first gas or air inlet (before compression), while the transport medium circuit is usually an oil circuit. In this embodiment, the air outlet from the primary compressor is shared with the oil circuit, which is further connected to the oil separator, then via a heat exchanger to the refrigerant refrigeration circuit, and then back to the primary compressor, the oil separator comprising a separate first compressed gas or air outlet. from the primary compressor. Thus, a mixture of compressed gas or air and oil medium in the form of droplets or mist flows from the primary compressor into the oil separator, after which in the oil separator these phases are separated at the first compressed gas or air outlet and hot oil flows further into the heat exchanger with cooling circuit, where heat transfer from oil to refrigerant occurs. The cooling circuit in this embodiment is identical to the cooling circuit described above.
S výhodou je druhý výstup stlačeného plynu nebo vzdušiny ze sekundárního kompresoru napojen na první výstup stlačeného plynu nebo vzdušiny z olejového separátoru. Dojde tak k efektivnímu využití odpadního tepla z primárního kompresoru pro výrobu dodatečného stlačeného plynu nebo vzdušiny sekundárním kompresorem.Preferably, the second compressed gas or air outlet from the secondary compressor is connected to the first compressed gas or air outlet from the oil separator. This will efficiently use the waste heat from the primary compressor to produce additional compressed gas or air by the secondary compressor.
Pro lepší přenos tepla je s výhodou v chladicím okruhu mezi expandérem a kondenzátorem, a zároveň mezi čerpadlem a výměníkem tepla uspořádán rekuperační výměník.For better heat transfer, a recuperation exchanger is preferably arranged in the cooling circuit between the expander and the condenser, and at the same time between the pump and the heat exchanger.
Podstata zařízení pro využití odpadního tepla z produkce stlačeného plynu nebo vzdušiny i jiných zdrojů odpadního tepla na nejrůznějších provozech a v průmyslové výrobě je následující. Jedná se o specifické zapojení systému výměníků pro transport odpadního tepla z klasického kompresoru, výrobny stlačeného plynu nebo vzdušiny či obecného primárního zdroje odpadního tepla do oběhu organického Rankin-Clausiova cyklu. Odpadní teplo je předáváno prostřednictvím okruhu transportního média, kde médiem je obvykle olej, příp. voda a chladicího okruhu, kde médiem je chladivo obíhající v chladicím okruhu samotném. Tato energie je pomocí chladivá předána v expandéru, který pomocí společné hřídele roztáčí sekundární kompresor ORC cyklu, jehož výslednou produkcí je stlačený plyn nebo vzdušina, která je dále přiváděna do výstupního rozvodu průmyslové výroby stlačeného plynu nebo vzdušiny. Tím je ekonomicky zhodnoceno jinak skoro nevyužitelné odpadní teplo. Celý cyklus a zařízení lze ještě vylepšit např. využitím rekuperačního výměníku pro samotný chladicí okruh, případně pokud je ještě k dispozici nějaký další odpadní zdroj tepla z okolí, lze i tento využít za účelem ještě lepších provozních parametrů.The essence of equipment for the use of waste heat from the production of compressed gas or air and other sources of waste heat in various operations and in industrial production is as follows. This is a specific connection of the system of exchangers for the transport of waste heat from a conventional compressor, production of compressed gas or air or a general primary source of waste heat into the circulation of the organic Rankin-Clausian cycle. Waste heat is transferred through the circuit of the transport medium, where the medium is usually oil, or water and the cooling circuit, where the medium is the refrigerant circulating in the cooling circuit itself. This energy is transferred by means of a refrigerant in an expander which, by means of a common shaft, rotates the secondary compressor of the ORC cycle, the resulting production of which is compressed gas or air, which is further fed to the industrial distribution of compressed gas or air. This economically improves the otherwise almost unusable waste heat. The entire cycle and equipment can be further improved, for example, by using a recuperation exchanger for the cooling circuit itself, or if there is still another waste heat source from the environment, this can also be used for even better operating parameters.
Výhodou je možnost instalace daného zařízení jak do nových, tak i stávajících provozů. Takovou instalací lze efektivně využít odpadní a nízkopotenciální teplo, které se jinak běžně nevyužívá a je odváděno do okolního prostředí, případně teplo z obnovitelných zdrojů energie, které se např. v letních měsících potýká s nadprodukcí tepelné energie. Pokud by se jednalo o instalaci zařízení tam, kde ještě výroba stlačeného plynu nebo vzdušiny dokončena nebyla, je možnost zahrnout toto zařízení do celkové koncepce a ušetřit vstupní náklady již při pořízení kompresorové jednotky k produkci stlačeného plynu nebo vzdušiny. Jako alternativní primární zdroj odpadního tepla může být: odpadní plyn nebo vzdušina, geotermální energie transportovaná různými médii, vzduch, procesní plyny, spaliny, produkce fotovoltaických panelů, produkce solárních panelů, odpadníThe advantage is the possibility of installing the equipment in both new and existing operations. Such an installation can effectively use waste and low-potential heat, which is not otherwise commonly used and is dissipated into the environment, or heat from renewable energy sources, which, for example, in the summer months struggles with overproduction of thermal energy. If the equipment is to be installed where the production of compressed gas or air has not yet been completed, it is possible to include this equipment in the overall concept and save input costs when purchasing a compressor unit for the production of compressed gas or air. As an alternative primary source of waste heat it can be: waste gas or air, geothermal energy transported by various media, air, process gases, flue gases, production of photovoltaic panels, production of solar panels, waste
-3CZ 308811 B6 teplo z komfortních jednotek a zařízení pro úpravu parametrů prostředí budov a provozů, teplo z chlazení provozů a procesů z výroben a další.-3CZ 308811 B6 heat from comfort units and equipment for adjusting the parameters of the environment of buildings and plants, heat from cooling of plants and processes from factories and others.
Zjednodušeně lze říci, že podstata vynálezu spočívá v tom, že namísto použití generátoru pro výrobu elektrické energie je využito sekundárního kompresoru pro výrobu stlačeného plynu nebo vzdušiny. Pod pojmem „vzdušina“ se zde rozumí společný název pro plyny a páry.Simply put, the essence of the invention is that instead of using a generator to produce electricity, a secondary compressor is used to produce compressed gas or air. The term "air" as used herein means the common name for gases and vapors.
Výhodou je, že sekundární kompresor dokáže z tepla jinak nevyužitelného vyprodukovat další stlačenou vzdušinu, kterou lze použít a přidat (přičíst) ke stlačené vzdušině produkované primárním kompresorem. Pokud tedy využijeme řešení s primárním kompresorem popisované výše a zapojíme do ORC cyklu sekundární kompresor, zvýšíme celkovou účinnost a navýšíme celkovou primární produkci vzdušiny, a to vše za relativně výhodných podmínek z ekonomického pohledu.The advantage is that the secondary compressor is able to produce additional compressed air from heat that is otherwise unusable, which can be used and added to the compressed air produced by the primary compressor. Therefore, if we use the solution with the primary compressor described above and include a secondary compressor in the ORC cycle, we increase the overall efficiency and increase the total primary air production, all under relatively advantageous conditions from an economic point of view.
Objasnění výkresůClarification of drawings
Podstata vynálezu j e dále obj asněna na příkladech j eho uskutečnění, které j sou popsány s využitím připojených výkresů, kde:The essence of the invention is further explained by examples of its embodiment, which are described with the aid of the accompanying drawings, where:
obr. 1 znázorňuje obecné schéma zařízení pro využití odpadního tepla z primárního zdroje tepla, a to na principu ORC cyklu zahrnujícího sekundární kompresor pro výrobu stlačeného plynu nebo vzdušiny, obr. 2 znázorňuje schéma zařízení pro využití odpadního tepla z primárního kompresoru, a to na principu ORC cyklu zahrnujícího sekundární kompresor pro výrobu stlačeného plynu nebo vzdušiny, a obr. 3 znázorňuje schéma zařízení pro využití odpadního tepla z primárního kompresoru, a to na principu ORC cyklu zahrnujícího sekundární kompresor pro výrobu stlačeného plynu nebo vzdušiny a rekuperační výměník v chladicím okruhu.Fig. 1 shows a general diagram of a plant for the utilization of waste heat from a primary heat source, based on the ORC cycle comprising a secondary compressor for the production of compressed gas or air, Fig. 2 shows a diagram of a plant for the utilization of waste heat from a primary compressor, An ORC cycle comprising a secondary compressor for the production of compressed gas or air, and Fig. 3 shows a diagram of an apparatus for utilizing waste heat from a primary compressor, based on the principle of an ORC cycle comprising a secondary compressor for producing compressed gas or air and a recuperation exchanger in the refrigeration circuit.
Příklady uskutečnění vynálezuExamples of embodiments of the invention
Uvedená uskutečnění znázorňují příkladné varianty provedení vynálezu, která však nemají z hlediska rozsahu ochrany žádný omezující vliv.These embodiments illustrate exemplary embodiments of the invention, which, however, have no limiting effect on the scope of protection.
Na obr. 1 je znázorněno obecné zařízení pro využití odpadního tepla a výrobu stlačeného plynu, zejména vzduchu nebo vzdušiny, na principu organického Rankin-Clausiova cyklu. Toto zařízení zahrnuje primární zdroj 1 odpadního tepla napojený na okruh 2 transportního média, na který je dále připojen přes výměník 3 tepla chladicí okruh 4 s chladivém. Transportním médiem může v tomto případě být olej nebo voda. Chladicí okruh 4 je dále připojen do expandéru 5 (turbíny) uspořádaného na společné hřídeli 6 se sekundárním kompresorem 7 a z expandéru 5 dále do kondenzátoru 10, který je napojen přes čerpadlo 12 zpět na výměník 3 tepla. Sekundární kompresor 7 zahrnuje druhý vstup 8 plynu nebo vzdušiny a druhý výstup 9 stlačeného plynu nebo vzdušiny. V kondenzátoru 10 nastává přenos tepla mezi chladicím okruhem 4 a sekundárním chladicím okruhem 11 s chladivém v podobě vody nebo okolního vzduchu.Fig. 1 shows a general plant for the utilization of waste heat and the production of compressed gas, in particular air or air, on the principle of the organic Rankine-Clausian cycle. This device comprises a primary source 1 of waste heat connected to a circuit 2 of the transport medium, to which a cooling circuit 4 with a refrigerant is further connected via a heat exchanger 3. The transport medium in this case can be oil or water. The cooling circuit 4 is further connected to an expander 5 (turbine) arranged on a common shaft 6 with the secondary compressor 7 and from the expander 5 further to the condenser 10, which is connected via a pump 12 back to the heat exchanger 3. The secondary compressor 7 comprises a second gas or air inlet 8 and a second compressed gas or air outlet 9. In the condenser 10, heat transfer takes place between the cooling circuit 4 and the secondary cooling circuit 11 with the refrigerant in the form of water or ambient air.
Na obr. 2 je znázorněno provedení zařízení podle tohoto vynálezu, kde v primárním kompresoru 13 nebo kompresorové stanici je stlačován plyn nebo vzdušina, zejména vzduch nebo vzdušina, které jsou do primárního kompresoru přivedeny prvním vstupem 14. Do primárního kompresoru dále ústí olejový okruh 16. V primárním kompresoru 13 dochází ke směšování stlačovaného plynu nebo vzdušiny a oleje v podobě kapiček nebo mlhy. Tato směs stlačeného plynu nebo vzdušiny a oleje je odváděna z primárního kompresoru 13 do olejového okruhu 16, a dále do olejovéhoFig. 2 shows an embodiment of the device according to the invention, where a gas or air, in particular air or air, is compressed in the primary compressor 13 or compressor station, which is fed to the primary compressor through a first inlet 14. An oil circuit 16 opens into the primary compressor. In the primary compressor 13, compressed gas or air and oil are mixed in the form of droplets or mist. This mixture of compressed gas or air and oil is discharged from the primary compressor 13 to the oil circuit 16, and further to the oil circuit.
-4CZ 308811 B6 separátoru 17, kde nastává oddělení fází stlačeného plynu nebo vzdušiny a oleje. Stlačený plyn nebo vzdušina opouští olejový separátor 17 prvním výstupem 15 stlačeného plynu nebo vzdušiny. Nahřátý olej je transportován potrubím olejového okruhu 16 do výměníku 3 tepla s chladicím okruhem 4, kde předá teplo chladivu a proudí zpět do primárního kompresoru 13. Nahřáté, případně přehřáté/odpařené chladivo je odvedeno potrubím chladicího okruhu 4 a vstupuje do expandéru 5 (expanzní turbíny), kde dojde ke snížení jeho tlaku a teploty, přičemž odevzdá svou energii expandéru. Po výstupu chladivá z expandéru 5 je toto odvedeno do tepelného výměníku kondenzátoru 10 za účelem kondenzace chiadiva a dalšího odevzdání tepla sekundárnímu chladicímu okruhu 11. Zkondenzované chladivo z kondenzátoru 10 je odvedeno do čerpadla 12, které žene studené chladivo opět do výměníku 3 tepla s olejovým okruhem 16, čímž je chladicí okruh 4 uzavřen. Expandér 5 přemění energii vstupujícího chladivá na mechanickou energii. Tato energie je pomocí společné hřídele 6 použita k pohonu sekundárního kompresoru 7, který stlačuje plyn nebo vzdušinu přivedenou druhým vstupem 8, zejména vzduch nebo vzdušinu, a pomocí druhého výstupu 9 je tento stlačený plyn nebo vzdušina dopravena k prvnímu výstupu 15 stlačeného plynu nebo vzdušiny vyrobeného primárním kompresorem 13, a přispívá tak k navýšení celkové produkce stlačeného plynu nebo vzdušiny (např. vzduchu) díky využití odpadního tepla.-4EN 308811 B6 separator 17, where the separation of the compressed gas or air and oil phases takes place. The compressed gas or air leaves the oil separator 17 through the first outlet 15 of the compressed gas or air. The heated oil is transported through the oil circuit 16 to the heat exchanger 3 with the cooling circuit 4, where it transfers heat to the refrigerant and flows back to the primary compressor 13. The heated or superheated / evaporated refrigerant is discharged through the cooling circuit 4 and enters the expander 5 (expansion turbines). ), where its pressure and temperature are reduced, giving up its energy to the expander. After the refrigerant exits the expander 5, it is discharged to the heat exchanger of the condenser 10 in order to condense the refrigerant and further transfer heat to the secondary refrigerant circuit 11. The condensed refrigerant from the condenser 10 is discharged to the pump 12, which drives the cold refrigerant back to the oil circuit heat exchanger 3. 16, whereby the cooling circuit 4 is closed. Expander 5 converts the energy of the incoming refrigerant into mechanical energy. This energy is used by means of a common shaft 6 to drive a secondary compressor 7 which compresses the gas or air supplied by the second inlet 8, in particular air or air, and by means of a second outlet 9 this compressed gas or air is conveyed to the first compressed gas outlet 15 primary compressor 13, and thus contributes to increasing the total production of compressed gas or air (e.g. air) due to the use of waste heat.
Na obr. 3 je znázorněno další výhodné provedení zařízení pro využití odpadního tepla na principu ORC cyklu, kde v chladicím okruhu 4 po výstupu chladivá z expandéru 5 je toto odvedeno do rekuperačního výměníku 18 s vnitřní výměnou tepla, kde je ještě částečně podchlazeno. To znamená, že odevzdá část svého tepla a toto teplo je předáno chladivu vystupujícímu z čerpadla 12. Dále je ochlazené chladivo vedeno z rekuperačního výměníku 18 do kondenzátoru 10 za účelem dalšího odevzdání tepla a kondenzace chladivá. Zkondenzované chladivo z kondenzátoru 10 ie odvedeno do čerpadla 12, které žene studené chladivo přes rekuperační výměník 18 opět do výměníku 3 tepla s okruhem 2 transportního média nebo olejovým okruhem 16, čímž je chladicí okruh 4 uzavřen.Fig. 3 shows another advantageous embodiment of the device for the utilization of waste heat on the principle of the ORC cycle, where in the cooling circuit 4 after the refrigerant leaves the expander 5 it is discharged to the recuperation exchanger 18 with internal heat exchange, where it is still partially subcooled. That is, it transfers some of its heat and this heat is transferred to the refrigerant leaving the pump 12. Next, the cooled refrigerant is passed from the recuperation exchanger 18 to the condenser 10 for further heat transfer and condensation of the refrigerant. The condensed refrigerant from the condenser 10 is discharged to the pump 12, which drives the cold refrigerant through the recuperation exchanger 18 back to the heat exchanger 3 with the transport medium circuit 2 or the oil circuit 16, whereby the refrigeration circuit 4 is closed.
Je nasnadě, že výše uvedené příklady provedení nezahrnují všechny možné varianty Existuje ještě mnoho dalších možností pro využití dalších variant využití i jiných zdrojů odpadního tepla, které je možné využít pomocí tohoto ORC cyklu za účelem další výroby stlačeného vzduchu, případně navýšení této výroby. Jedná se především o odpadní provozní teplo z nejrůznějších aplikací.It is obvious that the above-mentioned exemplary embodiments do not include all possible variants. This is mainly waste operating heat from various applications.
Kondenzátor 10. výměník 3 tepla i rekuperační výměník 18 mohou být například uskutečněny jako tepelné výměníky deskové, a lze zapojit i více kusů paralelně nebo sériově, přičemž jejich minimální, provozní a testovací tlak je obvykle do hodnot 0/32/60 při 0 až 300 °C.The condenser 10, the heat exchanger 3 and the recuperation exchanger 18 can, for example, be designed as plate heat exchangers, and several pieces can be connected in parallel or in series, their minimum, operating and test pressures usually being up to 0/32/60 at 0 to 300 ° C.
Čerpadlem 12 chladivá může být speciálně navržené zubové, spirálové případně membránové nebo podobné čerpadlo s maximálním pracovním přetlakem 200 bar.The coolant pump 12 can be a specially designed gear, scroll or diaphragm or similar pump with a maximum working overpressure of 200 bar.
Chladivá jsou s výhodou a bez omezení tohoto vynálezu vybrána ze skupiny syntetických látek jako jsou fluorované uhlovodíky, kterou tvoří chladivá skupin CFC, HFO, HFC, HCFC, HFC, HCFO, například 1234yf, 1233zd, 1234ze, 1224yd, 245fa a podobná chladivá anebo přírodní chladivá, optimálně s nízkým GWP a ODP dle ES 2006/40/EC. Lze ovšem použít i jiná chladivá neuvedená ve výše uvedeném seznamu.The refrigerants are preferably and without limitation selected from the group of synthetic substances such as fluorocarbons consisting of CFC, HFO, HFC, HCFC, HFC, HCFO refrigerants, for example 1234yf, 1233zd, 1234ze, 1224yd, 245fa and similar refrigerants or natural refrigerant, optimally with low GWP and ODP according to EC 2006/40 / EC. However, other refrigerants not listed above may be used.
Průmyslová využitelnostIndustrial applicability
Výše popsaný vynález má uplatnění v zařízeních a systémech, které využívají odpadní teplo na principu ORC kompresoru a při výrobě a využití stlačeného a zkapalněného vzduchu anebo vzdušiny.The invention described above has application in plants and systems which use waste heat on the principle of the ORC compressor and in the production and use of compressed and liquefied air or air.
Claims (3)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CZ2020179A CZ2020179A3 (en) | 2020-03-31 | 2020-03-31 | Equipment for using waste heat on the ORC compressor principle |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CZ2020179A CZ2020179A3 (en) | 2020-03-31 | 2020-03-31 | Equipment for using waste heat on the ORC compressor principle |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CZ308811B6 true CZ308811B6 (en) | 2021-06-02 |
| CZ2020179A3 CZ2020179A3 (en) | 2021-06-02 |
Family
ID=76088874
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CZ2020179A CZ2020179A3 (en) | 2020-03-31 | 2020-03-31 | Equipment for using waste heat on the ORC compressor principle |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CZ (1) | CZ2020179A3 (en) |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2003076781A1 (en) * | 2002-03-14 | 2003-09-18 | Alstom Technology Ltd | Power generating system |
| EP2634383A1 (en) * | 2012-03-01 | 2013-09-04 | Institut Für Luft- Und Kältetechnik Gemeinnützige GmbH | Method and assembly for storing energy |
| US20150240665A1 (en) * | 2014-02-26 | 2015-08-27 | Peregrine Turbine Technologies, Llc | Power generation system and method with partially recuperated flow path |
| KR20160126167A (en) * | 2015-04-22 | 2016-11-02 | 경북대학교 산학협력단 | Direct compressor operation by organic Rankin cycle power generation using outdoor units waste heat of refrigerating and air-conditioning systems and solar energy |
| US20170058760A1 (en) * | 2015-08-25 | 2017-03-02 | Brian Shor | System and method for recovering thermal energy for an internal combustion engine |
| US20170211427A1 (en) * | 2014-09-26 | 2017-07-27 | Mitsubishi Hitachi Power Systems, Ltd. | Boiler, combined cycle plant, and steam cooling method for boiler |
| WO2019211775A1 (en) * | 2018-05-04 | 2019-11-07 | Spada Srl | Apparatus, process and thermodynamic cycle for power generation with heat recovery |
-
2020
- 2020-03-31 CZ CZ2020179A patent/CZ2020179A3/en unknown
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2003076781A1 (en) * | 2002-03-14 | 2003-09-18 | Alstom Technology Ltd | Power generating system |
| EP2634383A1 (en) * | 2012-03-01 | 2013-09-04 | Institut Für Luft- Und Kältetechnik Gemeinnützige GmbH | Method and assembly for storing energy |
| US20150240665A1 (en) * | 2014-02-26 | 2015-08-27 | Peregrine Turbine Technologies, Llc | Power generation system and method with partially recuperated flow path |
| US20170211427A1 (en) * | 2014-09-26 | 2017-07-27 | Mitsubishi Hitachi Power Systems, Ltd. | Boiler, combined cycle plant, and steam cooling method for boiler |
| KR20160126167A (en) * | 2015-04-22 | 2016-11-02 | 경북대학교 산학협력단 | Direct compressor operation by organic Rankin cycle power generation using outdoor units waste heat of refrigerating and air-conditioning systems and solar energy |
| US20170058760A1 (en) * | 2015-08-25 | 2017-03-02 | Brian Shor | System and method for recovering thermal energy for an internal combustion engine |
| WO2019211775A1 (en) * | 2018-05-04 | 2019-11-07 | Spada Srl | Apparatus, process and thermodynamic cycle for power generation with heat recovery |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CZ2020179A3 (en) | 2021-06-02 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN1123683C (en) | Gas/steam generating equipment | |
| CN100427722C (en) | Cascading closed loop cycle (CCLC) generating | |
| RU2551458C2 (en) | Combined heat system with closed loop for recuperation of waste heat and its operating method | |
| EP1713877B1 (en) | Organic rankine cycle fluid | |
| US6964168B1 (en) | Advanced heat recovery and energy conversion systems for power generation and pollution emissions reduction, and methods of using same | |
| US20110088399A1 (en) | Combined Cycle Power Plant Including A Refrigeration Cycle | |
| US20110314818A1 (en) | Cascaded condenser for multi-unit geothermal orc | |
| EP3728801B1 (en) | Bottoming cycle power system | |
| US20090205336A1 (en) | Method and Device for the Transfer of Heat from a Heat Source to a Therodynamic Cycle with a Working Meduim of at Least Two Substance with Non-Isothermal Evaporation and Condensation | |
| NO20120029A1 (en) | Thermal control system and method in one or more insustrial processes | |
| JPH08296410A (en) | Cogeneration equipment and combined cycle generation equipment | |
| CN102678207B (en) | Thermodynamic system with twice reheating | |
| RU2273741C1 (en) | Gas-steam plant | |
| US20110056219A1 (en) | Utilization of Exhaust of Low Pressure Condensing Steam Turbine as Heat Input to Silica Gel-Water Working Pair Adsorption Chiller | |
| US20100229594A1 (en) | Chilling economizer | |
| RU2722436C2 (en) | Cascade cycle and method of regenerating waste heat | |
| JP4563730B2 (en) | Fume processing method | |
| JP4505266B2 (en) | Fume processing method with energy recovery | |
| RU2412359C1 (en) | Operating method of combined cycle plant | |
| KR20150105162A (en) | Organic Rankin Cycle electricity generation system | |
| CZ308811B6 (en) | Equipment for using waste heat on the ORC compressor principle | |
| CZ34170U1 (en) | Equipment for using waste heat on the ORC compressor principle | |
| CN113272527B (en) | Heat pump device and district heating network comprising a heat pump device | |
| GB2604542A (en) | Plant based upon combined Joule-Brayton and Rankine cycles working with directly coupled reciprocating machines | |
| KR20180056148A (en) | Combined cycle power generation system |